WO1997035110A1 - Kolben für eine hydrostatische axialkolbenmaschine - Google Patents

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Josef Beck
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Brueninghaus Hydromatik Gmbh
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    • F04B1/124—Pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0469—Other heavy metals
    • F05C2201/0475—Copper or alloys thereof
    • F05C2201/0478—Bronze (Cu/Sn alloy)

Definitions

  • the invention relates to a piston for a hydrostatic axial piston machine, in particular in the form of a swash plate design with a cylinder drum, axial cylinder bores arranged therein and a swash plate on which the pistons are supported.
  • the pistons consist of a piston skirt with a piston end face and with a cylindrical outer surface that moves back and forth in the cylinder bore and a piston head that is supported on the swash plate.
  • Such pistons for axial piston machines are known for example from DE A 23 20 554 and DE-A 36 09 892. At least the end regions of the cylindrical jacket surface facing the end pressure surface of these pistons are chamfered or rounded off for a variety of reasons. It is known to the person skilled in the art that the piston play in such machines and the kinematics of such machines inevitably lead to an alternating inclination of the piston in the cylinder bore, which causes increased friction and wear, particularly in the case of soft cylinder material, e.g. Bronze. During the piston movement, a scraping effect occurs on the wall of the cylinder bore through the end edges of the piston / outer surface.
  • the invention has for its object to provide a piston for a hydrostatic axial piston machine, in which the wear at the insertion and removal of the piston skirt is further reduced and at the same time the hydraulic-mechanical and volumetric efficiency of the hydrostatic machine is improved.
  • the piston according to the preamble of claim 1 is characterized in that the outer surface of the piston skirt has a chamfer with continuously changing radii of curvature at its front end region which merges into the piston face and / or at its rear end region lying towards the piston head.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the cylinder drum, swash plate and piston with the pistons in the cylinder bores shown in a greatly exaggerated manner, 3 in section a piston with a sliding shoe,
  • FIG. 6 enlarges the area Y in FIG. 3 of another embodiment
  • Fig. 7 enlarges the area X in Figure 3 of the other
  • the axial piston machine shown schematically in section in swash plate design consists of a housing 1, the input / output shaft 2, the cylinder drum 3, the housing cover 4 with control disc 5, the swash plate 6, the piston 7, which are in cylinder bores 8 of the cylinder drum 3 move in that they are supported by sliding shoes 9 on the swash plate 6.
  • the inclination of the swash plate 6 can be changed by an adjusting device 10 and thus the stroke volume of the machine.
  • this axial piston machine is of a conventional type and a detailed description is not necessary.
  • the pistons 7, in the embodiment shown hollow pistons, consist of a piston skirt 15 with a pressure-effective piston face 11.
  • the piston skirt 15 has a cylindrical outer surface 12 which slides on the wall 13 of the cylinder bore 8.
  • the piston skirt merges into the piston head 14, which is mounted in the slide shoe 9.
  • the inclined position of the pistons 7 in the cylinder bores 8 is shown in a greatly exaggerated manner in FIG.
  • the decisive points for the emergence of the scraping effect are the end areas of the piston shaft.
  • the front end region of the piston skirt 15, in which the piston skirt 15 merges into the piston face 11, is designated Y and for Embodiments in Figures 4 and 6 shown enlarged.
  • the rear end region of the piston skirt 15 is designated X and for the two embodiments in the
  • the chamfer profile 16 begins on the piston end face 11 with a small radius of curvature R1 and continues with continuously increasing radii of curvature up to the lateral surface 12, in which the radius of curvature R2 reaches an infinite size.
  • the chamfer profile 16 tapers into the lateral surface, becoming ever flatter.
  • the edge 17 which arises between the piston end face 11 and the beginning of the chamfer profile 16 with a small radius of curvature R1 is functionally insignificant, since this edge does not come into the region of the wall of the cylinder bore in any inclined position of the piston. In general, this edge 17 is located so far inward of the piston central axis, i.e.
  • the chamfer profile 16 is so large that it also serves as an introductory phase in the assembly of the pistons to avoid damage to the cylinder bore wall.
  • the chamfer profile 18 in the rear end region of the piston shaft 15 according to FIG. 5 begins from the side of the piston head 14 with a small radius of curvature R3, ends with continuously increasing radii of curvature in the lateral surface 12 of the piston, where it reaches the radius of curvature R2 of infinite size of the lateral surface .
  • the chamfer profile 19 on the side of the piston end face 11 initially again has a small radius R4, which continuously or continuously becomes a large radius of curvature R5.
  • This radius of curvature R5 can also be infinitely large, which means that a conically annular chamfer pressure surface 20 is formed in this area.
  • the chamfer profile 19 continues with a smaller radius of curvature R6 than the radius of curvature R5, the radii of curvature R7 etc. continuously increasing again until they reach the radius of curvature R2 with the value infinite of the lateral surface 12 of the piston, so that the chamfer profile 19 also here merges continuously and flat into the lateral surface 12.
  • the conically annular pressure surface 20 increases the hydraulic-volumetric efficiency of the piston.
  • end area X begins from the piston head side with a constant radius of curvature R8, has a very large radius of curvature R9 that remains constant over a small area, and then goes with a radius of curvature that is initially somewhat smaller than that in R9, which then becomes larger again

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Abstract

Es wird ein Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine beschrieben, bei dem die Mantelfläche (12) des Kolbenschaftes (15) an ihrem in die Kolbenstirnseite (11) übergehenden vorderen Endbereich (Y) und/oder ihrem zum Kolbenkopf hin liegenden hinteren Endbereich (X) eine Anfasung (16; 18; 19; 21) mit stetig veränderten Krümmungsradien aufweist.

Description

Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, insbesondere in Schrägscheibenbauform mit einer Zylindertrommel, darin angeordneten axialen Zylinderbohrungen und einer Schrägscheibe, an der die Kolbenabgestützt sind. Die Kolben bestehen aus einem Kolbenschaft mit einer Kolbenstirnfläche und mit einer sich in der Zylinderbohrung hin- und herbewegenden zylindrischen Mantelfläche sowie einem sich an der Schrägscheibe abstützenden Kolbenkopf.
Derartige Kolben für Axialkolbenmaschinen sind beispielsweise aus der DE A 23 20 554 und DE-A 36 09 892 bekannt. Zumindest die der stirnseitigen Druckfläche dieser Kolben zugewandten Endbereiche der zylindrischen Mantelfläche sind aus den verschiedensten Gründen abgeschrägt oder abgerundet. Dem Fachmann ist bekannt, daß bei derartigen Maschinen das Kolben spiel und die Kinematik solcher Maschinen zwangsläufig zu einer wechselnden Schrägstellung des Kolbens in der Zylinderbohrung führt, was eine erhöhte Reibung und Verschleiß bewirkt, insbesondere bei weichem Zylindermaterial, z.B. Bronze. Während der Kolbenbewegung tritt an der Wandung der Zylinderbohrung ein Schabeeffekt durch die Endkanten der Kolben/Mantelfläche auf. Damit während der Kolbenbewegung an der Wandung der Zylinderbohrung kein Schabeeffekt auftritt, sind die Zylinderbohrungen in diesem Bereich teilweise frei bearbeitet. Um die Abnützung der Wandungen des Zylinders zu verringern, ist bei dem Kolben nach DE-A 23 20 554 der innere Endabschnitt des Kolbens zur stirnseitigen Druckfläche hin abgeschrägt. Bei dieser Ausführung mit Anfasungen (Abschrägungen) tritt ohne eine freie Bearbeitung der Wandung der Zylinderbohrung weiterhin Verschleiß an der Ein- und Austauchstelle des Kolben Schaftes auf, da die Anfasung ihrerseits Kanten hat.
Es wurde festgestellt, daß diese Kanten der Anfasung oder auch mit gleichem, kleinem Krümmungsradius gebrochene Kanten die genannte Schabwirkung nicht vermeiden. Diese Schabwirkung verhindert den Aufbau des zur Abführung der Reibungswärme benötigten Leckölschmierfilmes und neigt zum Verklemmen der Kolben in der Zylinderbohrung (Schubladeneffekt) . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine hydrostatische Axialkolben maschine zu schaffen, bei dem der Verschleiß an der Ein- und Austauchstelle des Kolbenschaftes weiter vermindert ist und gleichzeitig der hydraulisch-mechanische und volumetrische Wirkungsgrad der hydrostatischen Maschine verbessert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Kolbenschaftes an ihrem in die Kolbenstirnseite übergehenden vorderen Endbereich und/oder ihrem zum Kolbenkopf hin liegenden hinteren Endbereich eine Anfasung mit stetig veränderten Krümmungsradien aufweist. Dadurch ist nicht nur eine Reduzierung der Reibung an den Kolbenschaftenden dadurch erreicht, daß das Anfasungsprofil den unterschiedlich großen Schrägstellungen des Kolbens bei seiner Hin- und Herbewegung in der Zylinderbohrung angepaßt ist, sondern es kann auch von einer geringeren Toleranz für das zulässige Kolbenspiel ausgegangen werden. Die Erfindung ermöglicht einen besseren Schmierfilmaufbau zur Abführung der Reibwärme der Zylinderbohrungswandung. Schließlich ist eine überraschende Verbesserung des hydraulisch-mechanischen und volumetrischen Wirkungsgrades, gemessen wurden bis zu 3 %, dadurch erreicht, daß das Anfasungsprofil die wirksame stirnseitige Druckfläche des Kolbens vergrößert.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch im Schnitt eine Axialkolbenmaschine in Schiefscheibenbauart,
Fig. 2 schematisch in einer Schnittansicht Zylindertrommel, Schiefscheibe und Kolben mit stark übertrieben dargestellter Schrägstellung der Kolben in den Zylinderbohrungen, Fig. 3 im Schnitt einen Kolben mit Gleitschuh,
Fig. 4 vergrößert im Ausschnitt den Bereich Y in Figur 3,
Fig. 5 vergrößert im Ausschnitt den Bereich X in Figur 3,
Fig. 6 vergrößert im Ausschnitt den Bereich Y in Figur 3 einer anderen Ausführungsform und
Fig. 7 vergrößert im Ausschnitt den Bereich X in Figur 3 der anderen
Ausführungsform.
Die in Figur 1 schematisch im Schnitt dargestellte Axialkolben maschine in Schrägscheibenbauform besteht aus einem Gehäuse 1 , der An/Abtriebswelle 2, der Zylindertrommel 3, dem Gehäusedeckel 4 mit Steuerscheibe 5, der Schiefscheibe 6, den Kolben 7, die sich in Zylinderbohrungen 8 der Zylindertrommel 3 dadurch bewegen, daß sie sich über Gleitschuhe 9 an der Schiefscheibe 6 abstützen. Die Schrägstellung der Schiefscheibe 6 kann durch eine VerStelleinrichtung 10 und damit das Hubvolumen der Maschine verändert werden. Insgesamt ist diese Axialkolbenmaschine von üblicher Bauart und es erübrigt sich eine nähere Beschreibung.
Die Kolben 7, bei der gezeigten Ausführungsform Hohlkolben, bestehen aus einem Kolbenschaft 15 mit druck wirksamer Kolbenstirnseite 11. Der Kolbenschaft 15 hat eine zylindrische Mantelfläche 12, welche an der Wand 13 der Zylinderbohrung 8 gleitet. Auf der der Kolbenstirnseite 11 abgewandten Seite geht der Kolbenschaft in den Kolbenkopf 14 über, der in dem Gleitschuh 9 gelagert ist. Zur Verdeutlichung der Kinematik ist in der Figur 2 die Schrägstellung der Kolben 7 in den Zylinderbohrungen 8 stark übertrieben dargestellt.
Die für die Entstehung des Schabeffektes entscheidenden Stellen sind die Endbereiche des Kolben Schaftes. Der vordere Endbereich des Kolbenschaftes 15, in welchem der Kolbenschaft 15 in die Kolbenstirnseite 11 übergeht, ist mit Y bezeichnet und für die Ausführungsformen in den Figuren 4 und 6 vergrößert dargestellt. Der hintere Endbereich des Kolbenschaftes 15 ist mit X bezeichnet und für die beiden Ausführungsformen in den
Figuren 5 und 7 vergrößert dargestellt.
Das Anfasungsprofil 16 nach Figur 4 beginnt an der Kolbenstirnseite 11 mit einem kleinen Krümmungsradius Rl und setzt sich mit stetig größer werdenden Krümmungsradien bis zur Mantelfläche 12 fort, in welcher der Krümmungsradius R2 unendliche Größe erreicht. Das Anfasungsprofil 16 läuft stetig flacher werdend in die Mantelfläche aus. Die zwischen der Kolbenstirnseite 1 1 und dem Beginn des Anfasungsprofiles 16 mit kleinem Krümmungsradius Rl entstehende Kante 17 ist funktionell bedeutungslos, da diese Kante in keiner Schrägstellung des Kolbens in den Bereich der Wandung der Zylinderbohrung kommt. Im allgemeinen ist diese Kante 17 so weit nach innen zur Kolbenmittelachse gelegt, d.h. das Anfasungsprofil 16 ist so groß, daß es auch als Einführungsphase bei der Montage der Kolben zur Vermeidung von Beschädigungen der Zylinderbohrungswandung dient. Das Anfasungsprofil 18 im hinteren Endbereich des Kolben Schaftes 15 nach Figur 5 beginnt von der Seite des Kolbenkopfes 14 her mit kleinem Krümmungsradius R3, läuft mit stetig größer werdenden Krümmungsradien in die Mantelfläche 12 des Kolbens aus, wo sie den Krümmungsradius R2 unendlicher Größe der Mantelfläche erreicht.
Bei der Ausführungsform nach Figur 6 weist das Anfasungsprofil 19 auf der Seite der Kolbenstirnfläche 11 zunächst wiederum einen kleinen Radius R4 auf, der gleichbleibend oder größer werdend stetig in einen großen Krümmungsradius R5 übergeht. Dieser Krümmungsradius R5 kann auch unendlich groß sein, was bedeutet, daß in diesem Bereich eine konisch ringförmige Anfasungs-Druckfläche 20 gebildet wird. Anschließend setzt sich das Anfasungsprofil 19 mit gegenüber dem Krümmungsradius R5 wieder kleinerem Krümmungsradius R6 fort, wobei die Krümmungsradien R7 usw. wieder stetig größer werden, bis sie den Krümmungsradius R2 mit dem Wert unendlich der Mantelfläche 12 des Kolbens erreichen, so daß das Anfasungsprofil 19 auch hier kontinuierlich und flach in die Mantelfläche 12 übergeht. Die konisch ringförmige Druckfläche 20 erhöht den hydraulisch-volumetrischen Wirkungsgrad des Kolbens. Der Winkel zwischen einer axialen Mantellinie der Druckfläche 20 und einer axialen Mantellinie der Mantelfläche 12 des Kolbens sollte kleiner als 5° sein. Das Anfasungsprofil 21 nach Figur 7 im hinteren Endbereich X beginnt bei dieser Ausführungsform von der Kolbenkopfseite her mit einem konstanten Krümmungsradius R8, hat einen sehr großen, über einen kleinen Bereich konstant bleibenden Krümmungsradius R9 und geht dann mit gegenüber R9 zunächst etwas kleinerem Krümmungsradius in die anschließend wieder größer werdenden
Krümmungsradien RIO über, bis diese den Krümmungsradius R2 unendlicher Größe der
Mantelfläche 12 erreichen.

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Kolben für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, insbesondere in Schrägscheibenbauform mit einer Zylindertrommel (3), darin angeordneter axialer
Zylinderbohrungen (8) und einer Schrägscheibe (6), an der die in den Zylinderbohrungen hin- und herbeweglichen Kolben (7) abgestützt sind, bestehend aus einem Kolbenschaft (15) mit einer Kolbenstirnfläche und mit einer in der Zylinderbohrung anliegenden zylindrischen Mantelfläche (12) sowie einem sich an der Schrägscheibe (6) abstützenden Kolbenkopf (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (12) des Kolbenschaftes (15) an ihrem in die Kolbenstirnseite (11) übergehenden vorderen Endbereich (Y) und/oder ihrem zum Kolbenkopf hin liegenden hinteren Endbereich (X) eine Anfasung (16; 18; 19; 21) mit stetig veränderten Krümmungsradien aufweist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anfasung (16; 18; 19; 21) der Mantelfläche von dem Kolbenschaftende beginnend mit einem kleinen Krümmungsradius und anschließend größer werdenden Krümmungsradien in die zylindrische Mantelfläche (12) mit dem Radius unendlich ausläuft.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stetige Änderung der Krümmungsradien derart gewählt ist, daß ein zumindest annähernd logarithmisch verlaufendes Anfasungs-Profil (16; 18) an den Endbereichen der Mantelfläche (12) gegeben ist.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anfasung (19; 21) der Mantelfläche von dem Kolben schaftende mit einem kleinen
Krümmungsradius (R4; R8) beginnt, sich mit einem großen, vorzugsweise unendlich großen Krümmungsradius (R5; R9) unter Bildung einer konisch ringförmigen Anfasungs- Druckfläche (20) fortsetzt und anschließend mit wieder kleinerem (R6) und dann größer werdenden Krümmungsradien (R7) in die zylindrische Mantelfläche mit unendlichem Krümmungsradius (R2) übergeht.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Konizität der Anfasungs-Druckfläche (20) zu der zylindrischen Mantelfläche (12) kleiner als 5° ist.
6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anfasungs-Profil an dem vorderen Endbereich und an dem hinteren Endbereich der Mantelfläche des Kolbenschaftes unterschiedlich ist.
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